close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Презентация

код для вставкиСкачать
Лекция 5:
Верхняя атмосфера в движении
§1. Фотохимия и энергетический
баланс термосферы.
На ионосферных высотах атмосфера –
это химически активная среда, находящаяся под
агрессивным воздействием солнечного КВ излучения
(рентген, экстремальный УФ, УФ), а также
энергичных частиц (электронов и ионов),
высыпающихся из магнитосферы.
Посему физика верхней атмосферы называется ещё
«аэрономия», что означает – наука об атмосферных
микропроцессах. Термин ввёл в обиход в 1961 г.
бельгийский метеоролог М. Николе.
Полезные масштабы: 1 мкм 1 . 23 эВ
Энергия связи О2: 5 эВ 0 . 24 мкм
– находится в континууме Ш-Р
Энергия ионизации О: 15 эВ 0 . 08 мкм – в экстремальном УФ
Динамическое (диффузионное)
равновесие
Химическое равновесие
атомарного кислорода
Ниже 80 км воздух почти
целиком состоит из молекул:
N2 – 78% и О2 – 21% (1% –
малые компоненты). Выше
80 км происходит 1)
разделение компонент по
индивид. барометрическим
законам, 2) интенсивная
фотодиссоциация молекул.
N бодро рекомбинирует
обратно в N2. Кислород нет,
термосфера наполняется О.
Под действием солнечной радиации происходит множество хим. реакций,
например, с участием кислорода (т.н. реакции Чепмена):
Диссоциация: O 2 O O
Рекомбинация: O O M O 2 M
Ионизация: O 2 O 2 e
Обмен зарядом: O 2 N 2 NO NO
Диссоц. рекомбинация: O 2 e O O
Важно, что в отличие от N рекомбинация О идёт очень медленно.
Экстремальный УФ
0 . 1 мкм; 30 эВ
Континуум Шумана-Рунге
0 . 13 0 . 17 мкм; 7 . 5 эВ
z
1 эВ
15 эВ
15 эВ
14 эВ
10 эВ
150 км
80 км
5 эВ
2.5 эВ
Интегрально, в ЭУФ диапазоне
поток энергии I = 2 эрг/см2с. Из них
1) Локальный нагрев: 30-40%
2) Энергия рекомбинации О,
транспортируемая к 90 км: 20%
3) УФ гало, излучение в космос 4050 %
В континууме Шумана-Рунге поток
энергии I = 15 эрг/см2с. Из них
1) Локальный нагрев: 33%
2) Энергия рекомбинации О,
транспортируемая к 90 км: 66%
5 эВ
ЭУФ
ШР
Уравнение теплового баланса
в гидродинамике
Рассмотрим элементарный объём среды (жидкую точку). Масса элементарного
объёма = M, объём «элементарного объёма» = V (не путать со
скоростью). Применим к нему первое начало термодинамики:
V, M
dU Q A
В нашем случае Q = нагрев УФ излучением (типа функция
Чепмена) минус потери тепла из-за теплопроводности.
Далее стандартный для этой науки формализм: dU M cV dT
теплоёмкость
ед. массы
Тогда объёмная плотность внутренней энергии: du dU / V cV dT
Займёмся работой A = pdV. Тут красивейший оборот:
ещё один облик
d
уравнения
V 0 (V ) V ;
V
t
t
dt
непрерывности
M
d
dV
1 dV
V
V т.е., дивергенция скорости = темп
V
V
dt
относительного изменения
Не путать! Это объём, это скорость
элементарного объёма!
Тогда первое начало термодинамики для жидкой точки принимает вид:
du Q / V pd / Уравнение теплового баланса
в гидродинамике
dT
cV
p V Q T
dt
Нагрев (охлаждение) из-за сжатия (расширения) среды
Функция теплового источника (слой Чепмена) – плотность
потока тепла
Теплопроводность
Примеры:
1) Атмосфера неподвижная и греется. Теплопроводности нет. Тогда
cV
dT
Q dI
I dT
I ( z ) – нагрев, в смысле изменения Т,
dt
dz
dt
cV
максимален при z 2) Атмосфера в стационарном равновесии dT / dt 0 , V 0
d
dz
d
dz
T Q dI
dz
d
T dz
1
I I ( z ) I ( z )
постоянная интегрирования
3) А что в стратосфере? Там поглощает только озон, в
то время как греются все сорта газов вместе:
dI
Q ( O 3 )
dz
Функция нагрева атмосферы
Солнечное излучение (<I> = 2 эрг/см2с в ЭУФ)
В результате получается такое
распределение Т (ср. по широте):
ЭУФ
(ионизация)
600 км
Континуум Ш-Р
(диссоциация О2)
Q(z)
Нагрев в полярных сияниях
эрг/см2с
<I> = 0.1
при спокойных условиях,
I ~ 1 эрг/см2с в геомагнитных бурях,
Imax ~ 10 эрг/см2с в локальных областях
Джоулев нагрев
(в электроджете)
Q(z)
200 эВ
Энергичные
электроны
3 кэВ
Q(z)
400 км
300 км
200 км
Приток энергии Q (слой Чепмена)
и нагрев Т – это не одно и то же!
Вклад полярных сияний в
глобальный энергетический
баланс верхней атмосферы
УФ
“Dynamics Explorer 1”
(1982 год)
Тут штука в том, что
авроральные частицы
греют атмосферу
аналогично фотонам. Но
энергии авроральных
электронов (кэВ-ы) гораздо
больше, чем УФ фотонов
(эВ-ы). Это серьёзно!
С другой стороны,
энерговыделение от
высыпающихся частиц
сосредоточено только в
авроральных овалах.
§2. Динамическая структура
термосферы.
Эмпирические модели
термосферы
запаздывание отклика
атмосферы (нагрева и
охлаждения) на 4-5 час
Из классической работы
Яккиа (Jacchia, 1965)
равноденствие
1200 K
солнцестояние
Суточные вариации Т – десятки %
(на поверхности Земли – единицы %)
800 K
По наблюдениям за торможением спутников были созданы эмпирические модели
термосферы: 2D и 3D распределения и Т. На этой основе многие авторы
рассчитывали (по заданному распределению и Т) картину движения атмосферы
(картину ветров).
Солнечный прилив в атмосфере:
горизонтальная компонента скорости на
высоте 320 км. Vmax ~ 200 м/c. Это расчет!
подсолнечная точка
А это наблюдение по
торможению спутников
Среднее – суперротация атмосферы
вечер
утро
Уравнение движения (гор. компонента):
Движение ионов
здесь не
dV
p
ni V V
учитывается!
dt
6:00
12:00
Роль вязкости – выше 300 км вертикальный слой
атмосферы движется как целое, без шира скорости.
Земля
pmin
24:00
Суперротация
pmax 18:00
Роль столкновений с ионами – ночью, когда ионов мало,
ионное трение меньше чем днём. Отсюда возникает
Вид Земли с северного
суперротация атмосферы.
полюса «сверху»
Усреднённая по долготе (по местному времени)
меридиональная циркуляция
Летнее солнцестояние
Равноденствие
Спокойная магн. активность
Средняя
Высокая
Эта структура – ячейки термической циркуляции – не видна на фоне солнечного прилива и
выявляется только в результате суточного усреднения глобальной картины. При этом
скорости ветров меридиональной циркуляции – десятки м/с – в несколько раз меньше, чем у
солнечного прилива. Выше ~ 200 км авроральный источник конкурирует с солнечным.
§3. Изменчивость термосферы.
В верхней атмосфере
амплитуды регулярных
(суточных, сезонных,
солнечного цикла) вариаций Т
составляют десятки процентов,
– сотни процентов (сильно
зависит от высоты).
Поэтому бессмысленно говорить о параметрах космической среды
вообще, только при конкретных условиях – где и когда.
Ответ на этот вызов дают модели атмосферы, ионосферы и
магнитосферы (которые бывают эмпирические, полуэмпирические,
теоретические). Входными параметрами моделей являются:
широта, долгота, высота, время, параметр солнечной активности.
Но даже это грубо.
Ход атмосферных параметров на
орбитальном витке “Dynamics
Explorer 2”
измерение О, N2, Ar, He
выделенные вариации
Во-вторых, на
регулярные вариации
параметров атмосферы
накладываются сильные
спорадические вариации, в
основном, динамической
природы (колебания, вихри,
ветра). Мгновенные
распределения атмосферноионосферных параметров,
взятые из моделей, фактически
никогда не реализуются.
Модельные распределения
являются средними.
Возникает философский и
практический вопрос: что есть
стационарное состояние, а что
есть возмущение?
§4. Диссипация экзосферы,
классический подход.
Базовая теория
зиждется на представлении, что в
экзосфере молекулы летают без
столкновений по
индивидуальным траекториям,
как камни, и некоторые из них
улетают «в бесконечность».
«скорость убегания, escape»
Тут важны такие моменты:
1) В распределении Максвелла по скоростям всегда есть
молекулы со скоростью больше второй космической:
V V esc 2G
M
11 . 2 км/с
RE
2) Выше 500-600 км столкновений между нейтралами нет
(т.е., столкновения не препятствуют убеганию).
Распределение Максвелла по вертикальной скорости:
mV z2 f (V z ) A exp A exp
2 kT Поток частиц вверх:
Fz V z f (V z ) dV z V esc
Vz
Vm
V z2
2
Vm
, V m 2 kT
m
– «наиболее вероятная
скорость», разновидность
«тепловой скорости»
A Vm
2
e
2
d Be
esc
2
esc
очень большой параметр
интегральное
Время жизни атмосферы:
содержание
2
2
~ 200 , для ат. кислорода О
V esc
N
GMm
частиц
esc
2
2
t
~e
, esc 2 , esc F
Vm
R E kT
12 , для водорода Н
Проблема состоит в невозможности определить этот параметр с необходимой
точностью. Погрешность получается:
t
2
2
2 T
t t esc ,
esc esc
t
T
При неточности знания температуры на экзобазе ~ 10%, погрешность времени
улетучивания атмосферы составляет:
для водорода ~ 100 %,
для тяжёлых газов – смешное число раз!
Строгую теорию этого вопроса см.,
например, у Сивухина (т.2, §79). Строгость состоит в точном
вычислении величин, которые точно вычислять не имеет
смысла.
Более того, теория диссипации экзосферы выглядит
довольно-таки умозрительно. Потому что не основывается
на конкретных экспериментальных данных (о том, что
молекулы в экзосфере летают по Кеплеровским
траекториям) и в своих существенных деталях не
проверяется.
Классическая теория правильно объясняет сам факт
наличия/отсутствия атмосфер больших/маленьких планет
(Земля, Венера, …/Луна, Меркурий, …). В случае Земли ещё
и факт отсутствия первичной (водородной) атмосферы.
Но этого недостаточно Существуют и другие согласующиеся
с этими фактами теории.
Против классической теории можно привести более
серьёзное возражение. На магнитосферных высотах
атмосфера Земли почти полностью ионизирована. А
движение плазменной атмосферы – движение снова
коллективное, «квазигидродинамическое».
Современная теория первоначально была разработана для
солнечного ветра (E.N.Parker, 1958). Потом концепция
Паркера была перенесена на атмосферы других звёзд
(звёздный ветер) и планет (полярный ветер)
Чтобы понять нижеследующую теорию, надо обязательно
увидеть солнечный ветер как он есть. См. анимацию по
данным солнечного телескопа SOHO:
http://sohowww.nascom.nasa.gov/
§5. Солнечный и полярный ветер.
Пойдём простым логическим ходом. Пойдём вместе!
1) На минутку вообразим, что гравитации не существует.
Тогда атмосфера под действием теплового давления будет
непрерывно расширяться (в вакуум), с ускорением!
2) Включим гравитацию. Сначала рассмотрим плоскую
Землю (по Т. Пратчетту). В планарной атмосфере
установится барометрическое равновесие:
p , n ( p0 , n0 )e
z/H
,N ndz
, z : p 0
0
3) И, наконец, рассмотрим 3D. Барометрическая формула
принимает вид:
p
p0
p , n C p ,n e
H
1D, 3D
U / kT
немного неожиданно
N p
Mm ( p , n ) exp G
,
kTr n 4 r dr ,
2
r : p p
R
R
r
ОЧЕНЬ НЕОЖИДАННО!
Почему так?
p 0 означает, что гидростатическое равновесие возможно только
если подпереть атмосферу внешним давлением. То ли атмосфера
должна заполнить всё пространство (что нефизично), то ли планета
(звезда) должна быть погружена в среду, её удерживающую (чушь!).
N ndV
означает то же самое.
Условие возможности/невозможности гидростатического
равновесия атмосферы при T = T(r)
Решим уравнение гидростатического равновесия в сферической геометрии:
g p C exp dr
dp
r
R
dr kT ( r )
p p 0 exp GMm
, H H mg ( r )
r
R
dr 2
r T
Чтобы исследовать этот интеграл зададим модельный ход температуры:
r
a
2
1
T T ( r ) p p 0 exp A r
dr C exp Br
r
R
p
0
1) Случай < 1: r : T a / r , p p 0 .
Случай 1
Это – бесконечная атмосфера
Случай 2
2) Случай > 1: r : T a / r , p 0 .
p
R
r
Это – правильная конечная атмосфера
Странно всё это!
Нас учили, что межзвёздная среда конденсируется под действием
гравитации. А получилось, что всё зависит от асимптотического
хода температуры T = T(r): если T быстро уменьшается, то
гравитация удерживает газовое облако, если T падает
недостаточно быстро (или совсем не падает), то аккреция
вещества не происходит!
Интуитивно, условие эффективного удержания атмосферы
гравитационным полем – это когда тепловая скорость частиц
много меньше скорости убегания. Исследуем это:
V m V esc rc V
Vesc
Случай 1
Случай 2
Vm
rc
r
2 GMm
k T ( rc )
сие равенство
достигается
в точке rc
Случай 1 это когда кривые Vm и Vesc
пересекаются. Тепловая скорость становится
при rc больше скорости убегания, атмосфера
за критической сферой расширяется, что
«отсасывает» атмосферу изнутри сферы.
Мораль. На больших расстояниях от центра
гравитации частицы убегают не потому, что они такие
быстрые, а потому что там становится мала скорость
убегания (при r : сколь угодно мала!).
(Другое дело, что убегающих частиц экспоненциально мало,
мы исследуем эффекты «в хвосте» барометрического
распределения.) Но важен сам факт – чтобы сбалансировать
расширение атмосферы гравитацией надо атмосферу
заморозить. И чем дальше от центра, тем сильнее.
Тепловое расширение солнечной атмосферы, которую не
удерживает гравитация, порождает «солнечный ветер» –
сверхзвуковой поток солнечной плазмы. То же для атмосфер
других звёзд называется «звёздный ветер». Аналогичное
истечение плазмы планетных магнитосфер (вдоль открытых
силовых линий магнитного поля) – «полярный ветер».
Полярный, звёздный,
солнечный ветер (качественно)
Убегание атмосферы возникает из-за невозможности гидростатического
равновесия в гравитационном поле. Базовая модель солнечного ветра (Паркер,
1958) описывает стационарное расширение солнечной атмосферы, динамика
солнечного ветра аналогична картине ускорения газа в сопле. Уравнение
движения для с. ветра, в принципе, является вариантом уравнения Бернулли.
Решения
Паркера:
«ветер»
и «бриз»
rc
Полярный ветер в магнитосфере Земли
При том различие с теорией
диссипации экзосфер
кардинальное:
• Экзосферные молекулы убегают
с торможением (гравитационным
полем). Как брошенные вверх
камни;
• Поток солнечного ветра убегает
наоборот с ускорением,
вызванным направленным наружу
тепловым давлением атмосферы.
To be continued
Документ
Категория
Презентации по физике
Просмотров
4
Размер файла
3 630 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа